Utilizzando fasci di nanofili verticali di ossido di zinco, i ricercatori hanno fabbricato array di transistor piezotronici in grado di convertire il movimento meccanico direttamente in segnali di controllo elettronici. Gli array potrebbero aiutare a dare ai robot un senso del tatto più adattivo, fornire una migliore sicurezza nelle firme scritte a mano e offrire nuovi modi per gli esseri umani di interagire con i dispositivi elettronici.

Gli array includono più di 8, 000 transistor piezotronici funzionanti, ognuno dei quali può produrre indipendentemente un segnale di controllo elettronico quando posto sotto sforzo meccanico. Questi transistor sensibili al tocco - soprannominati "taxel" - potrebbero fornire miglioramenti significativi in ​​termini di risoluzione, sensibilità e operazioni attive/adattive rispetto alle tecniche esistenti per il rilevamento tattile. La loro sensibilità è paragonabile a quella di un dito umano.

I taxel allineati verticalmente funzionano con transistor a due terminali. Invece di un terzo terminale di gate utilizzato dai transistor convenzionali per controllare il flusso di corrente che li attraversa, i taxel controllano la corrente con una tecnica chiamata "strain-gating". Lo strain-gating basato sull'effetto piezotronico utilizza le cariche elettriche generate all'interfaccia di contatto Schottky dall'effetto piezoelettrico quando i nanofili vengono sollecitati dall'applicazione di una forza meccanica.

La ricerca sarà riportata il 25 aprile sulla rivista Scienza in linea, al Science Express sito web, e sarà pubblicato in una versione successiva del giornale cartaceo Scienza .

"Qualsiasi movimento meccanico, come il movimento delle braccia o le dita di un robot, potrebbe essere tradotto in segnali di controllo, " ha spiegato Zhong Lin Wang, professore di Regents e Hightower Chair presso la School of Materials Science and Engineering del Georgia Institute of Technology. "Questo potrebbe rendere la pelle artificiale più intelligente e più simile alla pelle umana. Permetterebbe alla pelle di sentire l'attività sulla superficie".

Imitare il senso del tatto elettronicamente è stato impegnativo, ed è ora fatto misurando i cambiamenti di resistenza provocati dal tocco meccanico. I dispositivi sviluppati dai ricercatori della Georgia Tech si basano su un fenomeno fisico diverso:minuscole cariche di polarizzazione che si formano quando materiali piezoelettrici come l'ossido di zinco vengono spostati o posti sotto sforzo. Nei transistor piezotronici, le cariche piezoelettriche controllano il flusso di corrente attraverso i fili proprio come fanno le tensioni di gate nei convenzionali transistor a tre terminali.

La tecnica funziona solo con materiali che hanno proprietà sia piezoelettriche che semiconduttive. Queste proprietà sono visibili nei nanofili e nei film sottili creati dalle famiglie di materiali wurtzite e miscela di zinco, che include ossido di zinco, nitruro di gallio e solfuro di cadmio.

Nel loro laboratorio, Wang e i suoi coautori – il borsista postdottorato Wenzhuo Wu e l'assistente di ricerca laureato Xiaonan Wen – hanno fabbricato array di 92 per 92 transistor. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica di crescita chimica a circa 85-90 gradi Celsius, che ha permesso loro di fabbricare array di transistor piezotronici verticali strain-gated su substrati adatti per applicazioni di microelettronica. I transistor sono costituiti da fasci di circa 1, 500 singoli nanofili, ogni nanofilo tra 500 e 600 nanometri di diametro.

Nei dispositivi array, i transistor piezotronici verticali strain-gated attivi sono inseriti tra gli elettrodi superiore e inferiore realizzati in ossido di indio-stagno allineati in configurazioni ortogonali a barre incrociate. Un sottile strato d'oro viene depositato tra le superfici superiore e inferiore dei nanofili di ossido di zinco e gli elettrodi superiore e inferiore, formazione di contatti Schottky. Uno strato sottile del polimero parylene viene quindi rivestito sul dispositivo come barriera contro l'umidità e la corrosione.

La densità dell'array è di 234 pixel per pollice, la risoluzione è migliore di 100 micron, e i sensori sono in grado di rilevare variazioni di pressione fino a 10 kilopascal - risoluzione paragonabile a quella della pelle umana, ha detto Wang. I ricercatori della Georgia Tech hanno fabbricato diverse centinaia di array durante un progetto di ricerca durato quasi tre anni.

Gli array sono trasparenti, che potrebbe consentirne l'utilizzo su touch-pad o altri dispositivi per il rilevamento delle impronte digitali. Sono anche flessibili e pieghevoli, ampliando la gamma di potenziali utilizzi.

Tra le potenziali applicazioni:

• Registrazione multidimensionale della firma, in cui non sarebbe inclusa solo la grafica della firma, ma anche la pressione esercitata in ogni luogo durante la creazione della firma, e la velocità con cui viene creata la firma.
• Rilevamento adattivo alla forma in cui viene misurato un cambiamento nella forma del dispositivo. Ciò sarebbe utile in applicazioni come pelle artificiale/protesica, trattamenti biomedici intelligenti e robotica intelligente in cui gli array avrebbero percepito ciò che era in contatto con loro.
• Rilevamento tattile attivo in cui vengono emulate le operazioni fisiologiche dei meccanocettori di entità biologiche come i follicoli piliferi o i peli nella coclea.

Poiché gli array verrebbero utilizzati nelle applicazioni del mondo reale, i ricercatori hanno valutato la loro durata. I dispositivi funzionavano ancora dopo 24 ore immersi sia in acqua salina che distillata.

Il lavoro futuro includerà la produzione di array di taxel da singoli nanofili invece che da fasci, e l'integrazione degli array su dispositivi in ​​silicio CMOS. L'uso di fili singoli potrebbe migliorare la sensibilità degli array di almeno tre ordini di grandezza, ha detto Wang.

"Si tratta di una tecnologia fondamentalmente nuova che ci consente di controllare i dispositivi elettronici direttamente utilizzando l'agitazione meccanica, " Wang ha aggiunto. "Questo potrebbe essere utilizzato in una vasta gamma di aree, compresa la robotica, MEMS, interfacce uomo-computer e altre aree che comportano deformazioni meccaniche."